计算机基础课第 23 期分享
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01
指令流水线
一种提升性能的方法叫 "指令流水线"，想象下你要洗一整个酒店的床单，但只有 1 个洗衣机, 1 个干燥机。
选择1：按顺序来，放洗衣机等 30 分钟洗完。然后拿出湿床单，放进干燥机等 30 分钟烘干，这样1小时洗一批，另外一说：如果你有 30 分钟就能烘干的干燥机，请留言告诉我是什么牌子，我的至少要 90 分钟。
选择2：即使有这样的神奇干燥机, 我们可以用"并行处理"进一步提高效率，就像之前，先放一批床单到洗衣机，等 30 分钟洗完，然后把湿床单放进干燥机。但这次，与其干等 30 分钟烘干，可以放另一批进洗衣机，让两台机器同时工作。30 分钟后，一批床单完成, 另一批完成一半，另一批准备开始，效率x2！
处理器也可以这样设计，前面，我们演示了 CPU 按序处理，取指 → 解码 → 执行, 不断重复，这种设计，三个时钟周期执行 1 条指令。但因为每个阶段用的是 CPU 的不同部分，意味着可以并行处理！
"执行"一个指令时，同时"解码"下一个指令，"读取"下下个指令，不同任务重叠进行，同时用上 CPU 里所有部分。这样的流水线 每个时钟周期执行1个指令吞吐量 x 3。
和缓存一样，这也会带来一些问题。
第一个问题是 指令之间的依赖关系。
举个例子，你在读某个数据而正在执行的指令会改这个数据，也就是说拿的是旧数据。因此流水线处理器，要先弄清数据依赖性，必要时停止流水线，避免出问题。
高端 CPU，比如笔记本和手机里那种，会更进一步，动态排序 有依赖关系的指令。最小化流水线的停工时间，这叫 "乱序执行"。
和你猜的一样，这种电路非常复杂，但因为非常高效，几乎所有现代处理器都有流水线。
第二个问题是 "条件跳转"。
比如上节的 JUMP NEGATIVE。这些指令会改变程序的执行流。简单的流水线处理器，看到 JUMP 指令会停一会儿等待条件值确定下来。一旦 JUMP 的结果出了，处理器就继续流水线。因为空等会造成延迟，所以高端处理器会用一些技巧。
可以把 JUMP 想成是 "岔路口"，高端 CPU 会猜哪条路的可能性大一些，然后提前把指令放进流水线，这叫 "推测执行"。
当 JUMP 的结果出了，如果 CPU 猜对了，流水线已经塞满正确指令，可以马上运行。如果 CPU 猜错了，就要清空流水线，就像走错路掉头。
为了尽可能减少清空流水线的次数，CPU 厂商开发了复杂的方法，来猜测哪条分支更有可能，叫"分支预测"
现代 CPU 的正确率超过 90%，理想情况下，流水线一个时钟周期完成 1 个指令。然后"超标量处理器"出现了，一个时钟周期完成多个指令。
即便有流水线设计，在指令执行阶段，处理器里有些区域还是可能会空闲。比如，执行一个 "从内存取值" 指令期间，ALU 会闲置。
所以一次性处理多条指令（取指令+解码） 会更好。如果多条指令要 ALU 的不同部分，就多条同时执行，我们可以再进一步，加多几个相同的电路执行出现频次很高的指令。
举例，很多 CPU 有四个, 八个甚至更多 完全相同的ALU，可以同时执行多个数学运算。
好了，目前说过的方法，都是优化 1 个指令流的吞吐量。
02
多核处理器
另一个提升性能的方法是 同时运行多个指令流，用多核处理器。
你应该听过双核或四核处理器，意思是一个 CPU 芯片里，有多个独立处理单元，很像是有多个独立 CPU。但因为它们整合紧密，可以共享一些资源。比如缓存，使得多核可以合作运算。
但多核不够时，可以用多个 CPU。
高端计算机，比如现在给你传视频的 Youtube 服务器，需要更多马力，让上百人能同时流畅观看。2个或4个CPU是最常见的，但有时人们有更高的性能要求，所以造了超级计算机！
如果要做怪兽级运算，比如模拟宇宙形成，你需要强大的计算能力，给普通台式机加几个 CPU 没什么用，你需要很多处理器！不…不…还要更多，更多。截止至这篇文章发布，世上最快的计算机在中国无锡的国家超算中心，神威·太湖之光有 40960 个CPU，每个 CPU 有 256 个核心，总共超过1千万个核心，每个核心的频率是 1.45GHz，每秒可以进行 9.3 亿亿次浮点数运算，也叫每秒浮点运算次数 (FLOPS)。
相信我 这个速度很可怕，这些年处理器不但大大提高了速度，而且也变得更复杂，用各种技巧，榨干每个时钟周期做尽可能多运算。我们的任务是利用这些运算能力，做又酷又实用的事。
编程就是为了这个，我们下节说。
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